用于制造涡轮发动机轮叶的方法与流程

1.本文涉及用于制造涡轮发动机的轮叶的方法，所述轮叶包含连接到基于铝的径向叶片的由基于钛的合金制成的根部。


背景技术：

2.如今正在寻找新的涡轮发动机架构来满足航空需求。这种新架构需要实施能够承受高旋转速度的压缩机。此架构改变引发应在压缩机转子和定子轮叶的制造中考虑的额外或新的约束。
3.在这些当中，旋转叶片装置的质量尤其具有挑战性。常规地，已知制造包括根部和叶片的轮叶，所述轮叶由钛制成以确保组合件的一些机械强度。然而，由钛合金制成的叶片装置尤其在承载所述轮叶的盘片上强加显著的离心力，从而使得有必要研究新的低密度材料。
4.使用例如铝等合金来减小叶片的密度并不是没有后果。实际上，包含铝的该轮叶配置会受到机械、热和环境抵抗应力的影响。因此，不可能使用标准铝合金，因为它们将无法提供恰当的结构硬化。
5.从专利wo2019211583已知制造其中包壳由具有泡沫芯的长纤维/金属复合物制成的零件。使用液体金属注入步骤和模制工艺制造此零件类型，从而允许获得“网状”零件。尽管如此，此工艺尚未应用到叶片。
6.此外，该专利未解决以下问题：叶片的根部包含钛合金，而叶片包括由密度较有利于质量减小的另一种合金制成的基底。两个相异合金组装在一个叶片中在生产期间面临着具体问题。
7.在该情况中，也会产生其它问题。因此，由空气入口处吸入的颗粒引起的冲蚀现象随着所追求的旋转速度变高而更加显著。此外，还必需寻求强度，使得叶片可以承受例如鸟类等大型物体的吸入。最后，在这些速度条件中，还注意到结冰的风险增加。
8.关于结冰，避免此问题的最容易的方式是使所考虑材料的表面为疏水性的。因此，大多数现有的技术方案都是在轮叶的表面处沉积确保此功能的涂层。尽管如此，由吸入颗粒引发的冲蚀仍可能使这些涂层及其使表面呈疏水性的能力降级。


技术实现要素：

9.本文涉及一种用于制造涡轮发动机的轮叶的方法，所述轮叶包含连接到根据纵向方向延伸的叶片的根部，所述方法包括以下步骤：
10.a)提供由基于钛的合金制成的根部，所述根部旨在组装在盘片上，所述根部优选地通过增材制造而制成；
11.b)提供包括一起限定凹口的第一腔和第二腔的模具，叶片旨在形成在所述凹口中，所述凹口包括旨在形成叶片的第一空间和旨在形成根部的第二空间，
12.c)提供包含具有疏水性和抗冲蚀功能中的至少一个的涂层的铝条并将其放置成
与以下各者接触：
13.○
凹口的第一空间中的第一腔，和/或
14.○
凹口的第一空间中的第二腔；
15.d)将纤维加强件放置在凹口的第一空间中和/或凹口的第二空间中且至少部分与铝条接触；
16.e)将所述轮叶的根部布置在所述模具的凹口的第二空间中；
17.f)将包括铝的化合物注入到模具的凹口的第一空间中使得化合物浸渍纤维加强件。
18.纤维加强件使表面能够承受不同模式的振动、疲劳应力，并且在叶片上赋予必需的机械性质。此纤维加强件还制止潜在裂缝的传播，从而允许较好的针对损坏零件的容限以及因此产品的良好耐久性和高可靠性。纤维含量还应允许维持承受例如鸟类等外部物体的吸入所必需的一些延展性。
19.此纤维加强件的使用将实现叶片装置的机械强度并且还将允许承受外部颗粒的吸入所引发的冲蚀。
20.此外，化合物和形成的纤维加强件中使用的铝的增强的电阻率性质可借助于电流通过和焦耳效应加热实现解冻。
21.在步骤c)中，碳纳米管可优选地通过化学气相沉积放置在所述铝条的外面上方，且所述碳纳米管包括朝向凹口的第一空间中的第一腔或凹口的第一空间中的第二腔的自由端。
22.碳纳米管具有允许限制结冰现象的极佳疏水性。此外，这些碳纳米管使承载所述铝条的面硬化，这也有助于防止冲蚀。
23.所述铝条可通过胶合固持在模具中。
24.在包含铝的化合物注入后，固持铝条的胶合剂被破坏，这使得接合方法非常具有可操作性且无限制。
25.纤维加强件可包括编织结构，所述编织结构包括纬纱线和经纱线的布置，经纱线根据纵向方向延伸且纬纱线根据垂直于纵向方向的横向方向延伸。
26.经纱线可具有介于待制造的叶片的纵向尺寸的10到100％之间的纵向尺寸，且纬纱线可具有介于待制造的叶片的横向尺寸的10到100％之间的横向尺寸。
27.此纤维加强件允许轮叶的表面的纵向和横向方向中的加强。这些长纤维允许一旦注入就使材料的机械特性更加各向同性。
28.所述纤维加强件的纬纱线数目与经纱线数目之间的比率介于0到0.5之间。
29.所述纤维加强件可成形为存在于限定在纬纱线之间的垂直于纵向轴线的表面凹槽处，这些凹槽的宽度介于10到150μm之间。
30.纤维加强件的该特征允许在叶片的表面上赋予疏水性功能。
31.垂直于纵向轴线的凹槽可使得h/s比率介于0.1到0.6之间，h表示以μm为单位的垂直于纵向轴线的凹槽的平均振幅，且s表示以μm为单位的垂直于纵向轴线的凹槽的空间周期。
32.叶片的表面构形的算术平均粗糙度参数ra可介于10到200μm之间。
33.叶片的表面构形的算术平均粗糙度参数ra的该优化形成一种用于获得叶片的表
面的疏水性和对冲蚀的较低敏感性的方法。要达到的粗糙度越高，此方法越合适。如此达到的粗糙度允许改进表面的空气动力学性能且获得适于边界层分离的纹理。
34.所述化合物可以是铝泡沫。
35.泡沫的低密度允许减小叶片的质量以及具有增强的电阻率性质。
36.所述化合物可包括铝合金。
附图说明
37.[图1]是表示根据本发明的模具和方法的步骤b)到d)的示意图；
[0038]
[图2]是表示根据本发明的模具和方法的步骤e)的示意图；
[0039]
[图3]是表示根据本发明的模具和方法的步骤e)的延续的示意图；
[0040]
[图4a]是表示根据本发明的铝条的示意图；
[0041]
[图4b]是表示根据本发明的具备碳纳米管的铝条的示意图；
[0042]
[图4c]是表示根据本发明通过碳纳米管的沉积物的显微法获得的图像；
[0043]
[图5]是表示根据本发明的垂直于纵向轴线的凹槽的示意图。
具体实施方式
[0044]
本文涉及一种轮叶，其包括由基于钛的合金制成的根部1，所述基于钛的合金与用于承载所述轮叶的根部的盘片的材料兼容。此兼容性允许考虑通过例如摩擦焊接在轮叶和盘片(或护罩)之间进行直接组装。所述叶片进一步包含包括铝合金的叶片。
[0045]
如图1中所示出，使用模具2来制造此轮叶。最后，待制造的轮叶与模具2的几何结构匹配。模具2包括抵着彼此布置来形成所述模具2的至少第一壳层4和第二壳层6。第一壳层4包含形成第一腔8的第一内面。第二壳层6包含形成第二腔10的第二内面。当第一壳层4和第二壳层6抵着彼此组装时，第一腔8和第二腔10一起形成凹口，轮叶旨在形成在所述凹口中。
[0046]
第一腔8和第二腔10中的每一个包括第一区域9a、9b和第二区域11a、11b。第一腔8的第一区域9a与第二腔10的第一区域9b一起界定旨在形成叶片的凹口15的第一空间13。第一腔8的第二区域11a与第二腔10的第二区域11b一起界定旨在形成根部1的凹口15的第二空间17。凹口15的第一空间13和凹口15的第二空间17一起形成旨在形成如上述所示的轮叶的模具2的内部凹口。
[0047]
第一壳层4包含第一内部通道12，其第一端在凹口15的第一空间13处开放，且其第二端在所述模具2外部开放。第二壳层6包含第二内部通道14，其第一端在凹口15的第二空间17处开放，且其第二端在所述模具2外部开放。
[0048]
凹口15的第一空间13界定向其中注入旨在形成叶片的材料的空间。此外，凹口15的第二空间17能够特别是接收优选地通过增材制造制成的轮叶的根部。
[0049]
根据本文，使用具有介于2到5之间的低密度的金属条20，其优选地由铝制成。此金属条20包括内面和外面。此金属条20可以是由钛制成的条。铝条的外面包含能够产生疏水性和/或抗冲蚀功能的涂层。如图4所示出，还可优选地通过化学气相沉积(还称为缩略语cvd，代表“化学气相沉积(chemical vapour deposition)”)在铝条20的该外面18上方沉积碳纳米管16。所述碳纳米管16垂直于铝条20的外面18定向。碳纳米管16沉积物厚度介于20
到500μm之间。
[0050]
然而，还可考虑其它涂层。这些其它涂层具有无可能在介于600到700℃之间的区间内熔融的阶段的特性，以免污染铝或形成具有铝的脆化阶段。
[0051]
如图2中所示出，接着将如此具备涂层的铝条20切割到所要大小以定位于模具中。铝条的一部分抵着第一腔8的第一区域9a定位，和/或铝条抵着第二腔10的第一区域9b定位，从而界定凹口15。铝条20通过胶合固持在适当位置。在铝条具备碳纳米管期间，这些碳纳米管包括自由端，即，在与接合到铝条20的端部相对的一侧上的不接合到铝条的端部，其朝向第一腔8的第一区域9a或第二腔10的第一区域9b。
[0052]
如图1和2中所示出，纤维加强件21放置于模具2的凹口15的第一空间13中且至少部分与铝条20接触。纤维加强件21还可完全与铝条20接触。
[0053]
在一特定实施例中，仅纤维加强件21放置于模具2的凹口15的第一空间13中。
[0054]
优选地，此纤维加强件21包含包括经纱线和纬纱线的二维或三维织物。经纱线根据纵向方向延伸，且纬纱线根据垂直于纵向方向的横向方向延伸。
[0055]
包括铝的纬纱线和经纱线包含附接到第一腔8的第一区域9a的第一端，以及固持放置于凹口15的第一空间13中的纤维加强件21的第二端。类似地，包括铝的纬纱线和经纱线包含附接到第二腔10的第一区域9b的第一端，以及固持放置于凹口15的第一空间13中的纤维加强件21的第二端。
[0056]
纬纱线和经纱线包含由零件的大小强加的长度。根据纵向方向定向的经纱线具有介于待制造的叶片的纵向尺寸的10到100％之间的纵向尺寸。横向于纵向方向而定向的纬纱线具有介于待制造的叶片的横向尺寸的10到100％之间的横向尺寸。纬纱线和经纱线的体积比在包括此纤维加强件21的所有区域中相同。因此，此织物在轮叶的表面的纵向和横向方向中提供加强。
[0057]
关于纬纱线和经纱线的定向，经纱线占主导地位，但纬纱线也在垂直于纵向方向的横向方向中存在以减小各向异性。由纬纱线数目与经纱线数目之间的比率所限定的比率介于0到0.5之间。
[0058]
在一特定实施例中，纤维优选地由氧化铝制成。
[0059]
为了在叶片的表面上赋予疏水性功能，由纤维加强件21的织物形成特定图案。此为经纱线和纬纱线之间的图案，其允许根据需要调适表面粗糙度，而且允许可以根据叶片装置上的受应力区域定制表面粗糙度。纤维加强件21的织物的该图案使得叶片的表面构形的算术平均粗糙度参数ra介于10到200μm之间。这允许实现叶片的表面的疏水性功能。
[0060]
为了达到ra的该值，优化纬纱线和经纱线的布置。此优化考虑纱线的直径。因此，如图5中所示出，所述纤维加强件21成形成在垂直于纵向轴线24的表面凹槽处具有限定在纬纱线之间的称为肋状物的物件。垂直于纵向轴线的这些凹槽包括介于10到150μm之间的宽度，h/s比率介于0.1到0.6之间，其中h表示垂直于纵向轴线的凹槽的平均振幅，且s表示垂直于纵向轴线的凹槽的空间周期。
[0061]
还可通过修改第一腔8的第一区域9a在叶片的表面处印刷叶片的表面粗糙度，和/或还可通过使用例如激光优化第二腔10的第一区域9b以获得介于500nm到100μm之间的精细粗糙度参数ra。也有可能一旦脱模就在叶片的表面处直接生成所要参数ra。第一腔8和第二腔10的第一区域9a、9b的该优化形成第二方法来获得叶片的表面的疏水性。要达到的粗
糙度越高，此第二方法将越合适。如此达到的粗糙度允许改进表面的空气动力学性能且获得适于边界层分离的纹理。
[0062]
因此，此纤维加强件21使表面能够承受不同模式的振动、疲劳应力。此纤维加强件21还制止潜在裂缝的传播，从而允许较好的针对损坏零件的容限以及因此产品的良好耐久性和高可靠性。纤维含量还应允许维持承受例如鸟类等外部物体的吸入所必需的一些延展性。
[0063]
由氧化铝制成的纤维的使用允许获得相对于液体铝的中性。
[0064]
此纤维加强件21的使用将实现叶片装置的机械强度并且还将允许抵抗外部颗粒的吸入所引发的冲蚀。
[0065]
随后，如图2和3中所示出，根部1放置于模具2的凹口15的第二空间17中并固持在凹口15的该第二空间17中，这归功于壳体与根部1的几何结构精确地匹配。接着，模具的第一腔8和第二腔10抵着彼此设置以闭合模具。
[0066]
模具的第一腔8的第一内部通道12允许引入液体铝，而第二腔10的第二内部通道14能够向模具中抽真空。当注入包含铝的泡沫时，固持铝条的胶合剂被破坏。铝在凹口15的第一空间13的中心处注入于抵着第一腔8的第一区域9a定位的纤维加强件与抵着第二腔10的第一区域9b的纤维加强件之间。这允许纤维加强件分别抵着模具2的第一腔8和第二腔10按压。能够固持纤维加强件的纱线在注入后通过与注入的铝合并而消失。因此，叶片包含由基于铝的泡沫制成的芯体以达到低密度。铝的导电性质可借助于电流的通过和焦耳效应加热实现解冻。代替于此基于铝的泡沫，叶片可包含包括铝合金的芯体，所述铝合金可包括例如碳化硅sic或氧化铝类型的纳米加强件。
[0067]
关于使叶片的表面具备碳纳米管16，在液体铝的注入期间发生特定的相互作用。实际上，在铝条20的外面18上方沉积碳纳米管16期间，碳纳米管16仅在其端部处与铝连接。这些碳纳米管16常常由彼此卷绕的若干单原子碳片材组成。当液体铝浸渗碳纳米管16的基底时，碳纳米管16的第一片材与铝交互，片材的碳扩散到铝中。这种相互扩散产生碳化物，比如al4c3，其因此环绕碳纳米管16的基底。这对应于铝基质中纳米管的冶金锚固，这允许将它们个别地与由铝制成的表面组装在一起。这些碳化物还使底层表面硬化，这也有助于防止冲蚀。

技术特征：
1.用于制造涡轮发动机的轮叶的方法，所述轮叶包含连接到根据纵向方向延伸的叶片的根部(1)，所述方法包括以下步骤：a)提供由基于钛的合金制成的根部(1)，所述根部(1)旨在组装在盘片上，所述根部(1)优选地通过增材制造而制成；b)提供包括一起限定凹口(15)的第一腔(8)和第二腔(10)的模具(2)，所述叶片旨在形成在所述凹口中，所述凹口(15)包括旨在形成所述叶片的第一空间(13)和旨在形成所述根部(1)的第二空间(17)，c)提供包含具有疏水性和抗冲蚀功能中的至少一个的涂层的铝条(20)并将其放置成与以下各者接触：
○
所述凹口(15)的第一空间(13)中的第一腔(8)，和/或
○
所述凹口(15)的第一空间(13)中的第二腔(10)；d)将纤维加强件(21)放置在所述凹口(15)的第一空间(13)中和/或所述凹口的第二空间(17)中且至少部分与所述铝条(20)接触；e)将所述轮叶的根部(1)布置在所述模具(2)的凹口(15)的第二空间(17)中；f)将包括铝的化合物注入到所述模具(2)的凹口(15)的第一空间(13)中使得所述化合物浸渍所述纤维加强件。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤c)中，优选地通过化学气相沉积将碳纳米管(16)放置在所述铝条(20)的外面(18)上方，且所述碳纳米管(16)包括朝向所述凹口(15)的第一空间(13)中的第一腔(8)或所述凹口(15)的第一空间(13)中的第二腔(10)的自由端(22)。3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述铝条(20)通过胶合固持在所述模具中。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述纤维加强件包括编织结构，所述编织结构包括纬纱线和经纱线的布置，所述经纱线根据所述纵向方向延伸，且所述纬纱线根据垂直于所述纵向方向的横向方向延伸。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述经纱线具有介于待制造的叶片的纵向尺寸的10到100％之间的纵向尺寸，且所述纬纱线具有介于待制造的叶片的横向尺寸的10到100％之间的横向尺寸。6.根据权利要求4或5中任一项所述的方法，其特征在于，所述纤维加强件(21)的纬纱线数目与经纱线数目之间的比率介于0到0.5之间。7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述纤维加强件(21)成形为存在于限定在所述纬纱线之间的垂直于所述纵向轴线(24)的表面凹槽处，这些凹槽的宽度介于10到150μm之间。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，垂直于所述纵向轴线(24)的凹槽使得h/s比率介于0.1到0.6之间，h表示以μm为单位的垂直于所述纵向轴线的凹槽的平均振幅，且s表示以μm为单位的垂直于所述纵向轴线的凹槽的空间周期。9.根据权利要求6或8所述的方法，其特征在于，所述叶片的表面的构形的算术平均粗糙度参数ra介于10到200μm之间。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述化合物为铝泡沫。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述化合物包括铝合金。

技术总结
本文涉及用于制造涡轮发动机轮叶的方法，所述轮叶包括连接到在纵向方向中延伸的叶片的根部(1)，所述方法包括以下步骤：a)提供根部(1)；b)提供包括一起限定凹口(15)的第一腔(8)和第二腔(10)的模具(2)，所述轮叶旨在形成在所述凹口中，所述凹口(15)包括旨在形成所述叶片的第一空间(13)和旨在形成所述根部(1)的第二空间(17)；c)提供铝条(20)；d)定位纤维加强件(21)；e)将所述轮叶的根部(1)布置在所述第二空间(17)中；f)将包括铝的泡沫或铝合金注入到所述模具(2)的凹口(15)的第一空间(13)中使得所述泡沫浸渍所述纤维加强件。得所述泡沫浸渍所述纤维加强件。得所述泡沫浸渍所述纤维加强件。


技术研发人员：亚恩
受保护的技术使用者：赛峰航天推进器公司
技术研发日：2021.10.25
技术公布日：2023/8/1